Señales de Sensores

Cómputo Integrado Laboratorio

Introducción

Los sensores se usan sistemas embebidos cada vez con mayor frecuencia. En la industria se han utilizado desde hace tiempo para los sistemas de control de la fabricación, y actualmente los dispositivos de consumo están comenzando a emplearlos también. Los fabricantes están integrando sensores en los productos de consumo para crear mejores experiencias al usuario – el rango de elementos añadidos va desde acelerómetros en teléfonos móviles a sensores de vapor de agua en hornos microondas. Los diseñadores de sistemas, que previamente sólo trabajaban en el dominio digital, están ahora interaccionando con los sensores analógicos.

El siguiente por ejemplo es un sensor de grado de alcohol, que como señal de salida de datos proporciona el nivel de alcohol detectado en una persona que sopla frente a las aberturas. Y lo muestro porque según mis planes es lo que estaré usando para mi proyecto arduino.

Las señales analógicas de los sensores deben digitalizarse para que el sistema pueda usarlas, y luego la trayectoria de las señales pasa a través de amplificadores, filtros y etapas de digitalización. Cada etapa usualmente implica un componente pasivo que realiza una función. Una vez que se digitaliza la señal, puede pasarse a un sistema de control en el micro-controlador y de ahí a un procesador anfitrión a través de un protocolo de comunicación. El protocolo puede usar los datos del sensor para lo que sea necesario.

Cada uno de los sensores tiene una señal y rango de salida diferentes. La señal de salida puede estar basada en voltaje, corriente, resistencia, capacitiva o frecuencia, pero existen pocos standards y sólo los usan los sistemas industriales. Incluso los sensores similares del mismo fabricante pueden tener diferentes salidas, y estas diferencias pueden crear problemas para los diseñadores del sistema. Un diseñador debe seleccionar un sensor que cumpla los requerimientos del sistema. La incorporación de un nuevo sensor con una salida ligeramente diferente necesitará alterar la amplificación y etapas de filtrado.

La mayoría de las señales de salida se basan en pequeñas señales de corriente o voltaje, de manera que una simple red resistiva adapta cualquier señal basada en corriente en un voltaje.

Revisemos ahora algunos conceptos que simplifican el concepto de la selección:

Amplitud
La salida de un sensor puede ser tan pequeña como varios milivoltios o tan grande como varios voltios. Para su correcta digitalización, la señal debe ser lo suficientemente grande como para que pueda leerla el ADC (Analog-to-Digital Conversion). En la mayoría de los casos, la señal del sensor requiere amplificación.

La selección del amplificador se adaptará a las necesidades de cada proyecto y podrá ser un amplificador de instrumentación, un amplificador diferencial, un amplificador operacional, o un amplificador de ganancia programable PGA. También debe determinarse la cantidad de ganancia que el amplificador requiere.

Filtrado
Todos los sistemas imparten algún ruido a la señal de los sensores. El ruido proviene de diferentes fuentes, incluyendo paneles, radios, componentes térmicas, e incluso el sensor ruido. El ruido puede filtrarse usando filtros analógicos pasivos, filtros ICs, y filtros digitales. El método más común, filtrado pasivo, implica crear una red pasiva de resistencias, condensadores e inductores.

Conversión digital
Para usar la señal filtrada del sensor, debe cuantificarse la señal analógica en el dominio digital usando un ADC. La selección de un ADC es la preocupación principal de los requerimientos del sistema para muestrear velocidad y resolución. La velocidad de muestreo necesaria está relacionada con el ancho de banda del sensor y con las necesidades de actualización.

Algunos tipos de sensores

Posición lineal o angular
Como el potenciómetro y el sensor Hall que sirven para conocer en que sentido esta ubicado determinado dispositivo.

Velocidad lineal y angular
Determinar la velocidad a la que se mmueve cierto dispositivo o si este esta girando saber a que velocidad lo esta haciendo.

Aceleración
Permite conocer los cambios de velocidad. Existen el acelerómetro y los servo-acelerómetros.

Temperatura
Existen varios dispositivos encargados de la medición de la temperatura como el Termopar y Termistor NTC y PTC.

Sensores táctiles
Para dispositivos que necesitan saber si alguien toca un aparato para por ejemplo encender una lámpara. En los dispositivos móviles mas recientes con pantallas táctiles, utilizan sensores inductivo y capacitivos para detectar cuando se hace presión sobre la pantalla. De estos dos últimos es más recomendable el capacitivo, porque suele ser más sensible al tacto de las llemas de los dedos.

Sensor de proximidad
Suele usarse el sensor fotoeléctrico para determinar la proximidad debido a la diferencia de la cantidad de luz. Celulares recientes tienen este tipo de sensores de proximidad para reconocer cuando alguien tiene el teléfono en el oído durante una llamada y este apaga la pantalla para ahorrar energía.

Y existen más sensores, como el que mencionaba de detección de grado de alcohol, pero me quedo por lo tanto con estos ya que son los más comunes sobre todo para el tipo de proyectos en los que estamos trabajando.

Bibliografía
Sensores
Tipos de sensores